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你真了解電池么?-鄭州小程序開發

夢之網科技?2019-10-10?文章動態?

你真了解電池么?-鄭州小程序開發

2019年諾貝爾化學獎,授予了三位“為鋰電池作出巨大貢獻”的科學家,分別是約翰·B·古迪納夫(John B.Goodenough)、M·斯坦利·威廷漢(M. Stanley Whittingham)和吉野彰(Akira Yoshino)。

三位并非是共同工作研究,而是作為鋰電池奠基者、鋰電池改造者和鋰電池優化者在各處單獨進行鉆研。目前生活中所不可或缺的種種電子產品都離不開他們的功勞,無論是手機、電腦、相機還是電動汽車,都是基于鋰電池技術的成熟才得到快速的發展。

電池簡史

要想了解他們的貢獻,得先了解一下電池發展里程。

電池的基本原理即是用“活性較高”的金屬材料制作陽極(即負極-),而用較為穩定的材料制作陰極(即正極+),陽極材料由于庫侖力的原因丟失電子(還原反應),流向陰極使其獲得電子(氧化反應),而電池內部(電解液)則發生陰極的陰離子流向陽極與陽離子結合,由此形成回路,產生電能。

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也正是因為這種流動本質上是化學反應,所以遵循能量守恒定律。如果對外部用電器(手機、相機等耗電物品)做功了,也就意味著反應產生的能量被用電器“吸收”了,達到相對的平衡。如果沒有用電器,但是回路接通,就意味著能量無處可用,將會變成熱能,且速度非常快,因為電子移動的速度與光速相同,也就是為什么電池發生短路時會劇烈發熱甚至燃燒爆炸。

一旦電池內部化學能量消耗完畢,則電池就沒用了。所以可充電的電池,即是能夠通過外部通電將內部的化學反應“還原”(歸位),也就需要選擇特別的材料和設計,能夠“完美”恢復原樣,使得電池重新獲得化學能量。

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(伏特堆電池,圖來自Visual Capitalist)

1799年,意大利物理學家Alessandro Volta發明了第一款電池(Vlotaic Pile 伏特堆),他利用鋅片(陽極)和銅片(陰極)以及浸濕鹽水的紙片(電解液)制成了電池,以證明了電是可以人為制造出來的。

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(丹尼爾電池,圖來自Visual Capitalist)

大約40年后,以為英國化學家John Frederic Daniell通過變換電池形式,解決了伏特堆放電時產生的氫氣氣泡問題(由于發生化學反應產生了氫氣,從而導致電池內部接觸不良),此時電池可以達到1V電壓。

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(鉛酸電池,圖來自Visual Capitalist)

1850年,法國物理學家Gaston Planté發明了鉛酸電池(陽極為鉛、陰極為鉛氧化物、硫酸溶液為電解質),利用鉛不僅僅做到了極低的成本,還能夠提供12V的電壓,且能夠充電循環使用。這類電池被廣泛使用,車載蓄電池、早期電動車等都采用這類電池,截止2014年,全球約售出了4470萬塊鉛酸電池。

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(鎳鎘電池,圖來自Visual Capitalist)

1899年,瑞典人Waldemar Jungner發明了鎳鎘電池(鎳為陰極、鎘為陽極,采用液體電解液),也就是小時候經常會用到的隨身聽、四驅車所用的充電電池,為現代電子科技打下了基礎。不過這類電池有個巨大的缺點,也就是老一輩人經常會告訴你充電池必須用完才能充電的原因,由于其化學特性的原因,如果未用完電量就充電,會發生“鎘中毒”現象,導致電池“記憶”了“最低電量”,導致下次充滿電量縮小,所以漸漸就被市場淘汰了。

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(堿性電池,圖來自Visual Capitalist)

1950之后,加拿大工程師Lewis Urry發明了現在非常常見的堿性電池(鋅為陽極、鎂氧化物為陰極,氫氧化鉀為電解液,也就是堿性電池名字來源),就是平時生活中常用的一次性電池,絕大多數都是不可充電的,當然也有特殊設計的堿性電池能夠充電,甚至還能夠通過按壓電池表面顯示當前電量。全球售出超過100億顆。

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(鎳氫電池,圖來自Visual Capitalist)

1989年,第一款商業鎳氫電池問世(陽極為金屬氫化物或儲氫合金、陰極為氫氧化鎳),耗時超過20年研發,由戴姆勒-奔馳和德國大眾贊助。通過新的配方,鎳氫電池相較于鎳鎘電池提高了能量密度,并且污染減少。更重要的一點,鎳氫電池沒有“記憶效應”,所以不必像鎳鎘電池一樣擔心使用問題。除了大量被使用于數碼產品之外,還被早期的豐田Prius混動車所采用。

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(鋰離子電池,圖來自Visual Capitalist)

文章關鍵詞
鋰離子電池
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